JP2005520775A - 焼結無機粒子を有するステンレススチール管／フリット、それを備えたクロマトグラフィ及びその製造法 - Google Patents

焼結無機粒子を有するステンレススチール管／フリット、それを備えたクロマトグラフィ及びその製造法 Download PDF

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Abstract

本発明は、液体クロマトグラフィに適用可能な金属管／フリットと、それを用いて製造されたクロマトグラフカラムに関する。詳細には、本発明は、シリカ、アルミナ、ジルコニア及びチタニアなどの粉体状無機酸化物を強塩基で処理し、ある程度の湿気が含まれるように乾燥させ、こすって粉体にし、クロマトグラフ金属管の先端に適正な深さまで入れ、この粉体を焼結して、耐久性のある焼結フリットを内壁に形成することによって、金属管／フリットを製造することに関する。本発明は、また、焼結端部フリットを有する金属管／フリットをカラム入口及び出口結合部に設け、かつ、それらの結合部間に固定相が充填された円筒状カラム本体管を配置することにより製造される液体クロマトグラフカラムに関する。上記の説明により製造される金属管／フリットは、従来のカラム設計におけるようにカラム内部に配置されず、したがって、カラムを分解せずに容易に交換及び修理することができ、この設計のカラムは、複雑な製造プロセス及び高コストの従来のマイクロカラムに置き換えることができる。

Description

本発明は、金属管／フリット及びそれを用いて製造された液体クロマトグラフィ用のカラムに関する。まず、本発明は、乾燥前の強塩基で、シリカ、アルミナ、チタニア及びジルコニア等の無機酸化物粉体を処理することにより製造される、少量の湿気を含む粉体に関する。
本発明は、また、カラムクロマトグラフィ用に設計された金属管の先端に上記の粉体を適当な高さまで入れ、それを固体フリットへと焼結させることによって、金属管／フリットを製造することに関する。
本発明は、また、焼結端部フリットを有する上記の金属管部材／フリットをカラム入口及び出口の結合部に設置することによって、かつ、それらの結合部間に、固定相が詰められた円筒状のカラム本体管を配置することにより製造される液体クロマトグラフカラムに関する。
液体クロマトグラフィカラムは、三つの主要部分、すなわち、カラム本体管、カラム本体両端にある端部フィッティングブロック、及び、カラムに詰められた静的相(固定相)としてのフィラーからなる。
カラム本体管は、例えば、ステンレススチール、ガラスライニングステンレススチール、ポリマー及びポリマー被覆シリカ等の様々な材料からなる。
通常、固定相として多孔質粉体が使用される。多孔質シリカ、アルミナ、ジルコニア、及び、それらのリガンド結合またはポリマー被覆生成物が通常使用され、様々な種類の多孔性ブロック共重合粉体もまた使用される。現時点において、最も典型的な固定相は、多孔性オクタデシル基結合シリカＣ１８である。
多孔性ディスク型フリットをカラムの両端に配置して、それらの形態が異なっていても、固定相が中に入った状態を保ち、共通のカラムに移動相を透過させる。フリットはクロマトグラフ分析に直接に影響するので、このようなフリットはかなり慎重に扱われ、フリットに関する様々な研究が行われてきた。
近年、モノリスカラムが提案されている。モノリスカラムの固定相全体は、非常に多くの多重性多孔質チャネルを有する1つの体をなしている。したがって、これはフリットを全く必要としない(Svec et al., Anal. Chem. 1992, 64, 820-822; Minakuchi et al., Anal. Chem., 1996, 68, 3498-3501)。
様々な種類のカラム端部フィッティング及びフリット設置機構が、アンガー編集の「ＨＰＬＣハンドブック」((1994、GIT-Verlag))において図示されている。すべての場合において、フリットは、カラム本体内に設置されており、カラムを分解しなければフリットを取り外すことができない。
フリット及び端部フィッティングについては、さらにいろいろな設計が提唱されてきた。例えば、米国特許4,399,032(1983)では、polymer-encased ステンレススチールディスクフリットが使用され、米国特許4,966,696(1990)では、台形ディスク型フリットが使用された。このようなフリットは、カラムの内径、多孔性フリットディスクの直径及び接続管部材の内径における相違による、移動相流れの異常な摂動及びそれに伴うカラム効率低下を最小にするために用いられている。米国特許5,227,059(1993)においては別の特殊な設計が見られる。ここでは、中央流路を有する強くかつ可撓性のあるポリマーインサートが提案されており、長期にわたるカラムの使用による空隙容量と、それに伴うインサートの締め付けのみによって生じる固定相の部分的な崩壊とを取り除くために、カラム入口フリットの前に取り付けられる。
Hernan Cortes et al.は、米国特許4,793,920(1988)において、ケイ酸カリウム溶液をカラム本体の端部に入れることによって、かつ、蒸気過熱で焼結を引き起こすことによって、カラム端部において、交換不能な多孔性セラミックプラグフリットを作成することを提案している。また、この方法は米国特許5,679,255(1997)におけるマイクロカラムの製造で使用されており、特に、カラム出口の処理のみが言及され、カラム入口の処理については言及されていない。このことは、従来の別のフリット技術が入口側に使用されていたことを推測させる。
カラム本体管内に固定フリットを作成する技術は、マイクロカラム、特に、ポリマー被覆シリカキャピラリから成るマイクロカラムの製作において一般に使用されている。
しかし、初期のマイクロカラムフリットの設計は非多孔性で不完全であり、シリカキャピラリの内径よりも僅かに小さい直径の金属ワイヤ、または、カラムキャピラリの内径よりも外径が僅かに小さく、非常に狭い内径を有する他のシリカキャピラリが米国特許4,483,773(1984)で用いられている。さらに、従来の交換可能なフリットが用いられた米国特許5,938,919(1999)では、軟かいポリマー管に入れられたシリカキャピラリカラムが提案されている。
シリカキャピラリマイクロカラムの最近の傾向は、カラム全体が大きいフリットとしても機能するモノリシックカラムへと急速にシフトしている。モノリスカラムについての詳細は、いくつかの概説書(Vissers et al., J.Chromatogr.A,1999,856,117-143; Jinno et al., Trends in Analytical Chemistry,2000,19,664-675; Bartle et al, J.Chromatogr.A,2000,892,279-290)で紹介されており、様々なモノリスカラムの特許が現れている。
例えば、ぎっしりと詰められたシリカキャピラリを部分的に加熱処理することによって、カラムの両端部に固定フリットを作成する方法は、文献(Boughtflower et al ,Chromatographia, 1995,40,329; Smith et al, Chromatogrphia, 1994,38,649)で紹介されている。米国特許5,858,241(1999)において、研究グループは、このような概念を利用して、シリカキャピラリに多孔性固定相粉体を詰め込み、リング型の電熱線で加熱することによって固定相全体を焼結させ、固定相全体を結合させるが粉体の多孔性球状構造が変わらないようにした。米国特許6,136,187(2000)において、モノリスカラムは、固定相粉体、水、アルコールのような溶解剤及び金属アルコキシドの散在水溶液をシリンジでシリカキャピラリに入れ、加熱処理及び真空状態を適用することにより作成されることが提案されている。
上記の液体クロマトグラフィカラムのフリットを作成する従来の技術は、二つの手法に分類できる。
第一の手法は、分離したフリットを配置することである。この場合、フリットがコラム端部フィッティング内部にのみ取り付けられるので、フリットに目詰まりが生じて交換が必要な場合、カラム端部フィッティングを分解しなければならない。その他、カラム内径または接続管の外径よりフリット径がかなり大きい場合、移動相流動の摂動及びそれに伴うカラム効率の低下が生じる可能性がある。この種の問題を解決するために、フリット構造のための複雑な設計を採用すると、コスト増及び使用に伴う不便を生じる。さらに、相対的な重要性が急速に増した内径０.５ｍｍ以下のマイクロカラム用の、分離した小型化フリットを作成することは困難であり、実際、このようなフリットを有するマイクロコラムは市販されていない。
他方のフリット手法は、分離したフリットを用いずに、カラム端部またはカラム全体に永久フリットを作成することである。この場合、カラムに再詰め込みをすることは不可能であり、フリットが目詰まりしたり、カラム内にクラックまたは空隙容量が現れたら、カラムの寿命が終了する。まず、カラム入口と出口にのみある永久端部フリットの場合、端部フリットの形成後に、ときどき、パッキング構造のクラックが観察され、カラム効率は低下する。さらに、カラムに固定相粉体を詰めた後、入口フリットの形成過程において目詰まりが生じると、カラム全体は、全く使用されずにその寿命を終える。
固定相全体が一つの多孔質相及び非常に大きいフリットでもあるモノリスカラムはとても興味深いが、独自の利点及び不利点を有する。まず、内径１〜５ｍｍの従来の剛性ステンレススチールにおいて、空隙容量のないモノリスを作成することは困難であり、したがって、モノリスの形成は、加熱収縮可能なポリマー管に制限される。この種の製造技術は、製造の再現性が低いことが問題となるようである。低強度のポリマー管を端部フィッティング処理には非常に注意を要し、このような製品は耐久性に問題がある。内径０.５ｍｍ以下のシリカキャピラリのモノリスカラムを作成することは比較的容易だが、モノリス反応体の準備、モノリスの形成及びモノリスの洗浄には、高水準の人的資源及び時間が多く要求される。さらに、シリカキャピラリモノリスの生産再現性は周知ではなく、生産準備または産業規模に適用することが不適当である。
カラム本体内ではなく、カラムと、例えばインジェクタまたは検出器というような他の装置との間の接続管内に永久フリットを作成するためのフリット技術は、これまで存在しなかった。このようなフリット技術が利用できれば、カラム端部フィッティングの構造が簡易になり、新たに特別な設計をせずに、量産の結合部を用いて低コストで有用なカラムを作成することが可能である。カラム内径と比べてより大きいフリット径によるカラム効率低下の問題は、この管／フリット設計により解消され、この管／フリットは、フリットが目詰まりした場合に、カラム本体を分解せずに容易に交換することができる。しかし、問題は、カラムにパッキングをするときまたは動作させるときの高い圧力及び移動相流れに耐えられるように接続管端部の内側面に不変フリットを結合させることが困難であるということである。
発明者は、簡単な設計で、便利かつ低コストの管／フリット及びカラムの製造について繰返し研究して、金属接続管の先端で化学的及び熱的に多孔性無機粒子を焼結させることによって、耐性のあるフリット／管を製造する方法と、カラム出口結合部にフリット／管を取り付け、その後、適切な固定相をカラムに詰め、最後に化学的及び熱的に焼結したフリットのフリット／管を有するカラム入口結合部を取り付けることにより、新規で簡単な設計のカラムを製造する方法とを開発した。
発明の目的は、管／フリットと、設計が簡単、カラム製造の簡便性、及び、低コストという利点を有する管／フリットが取り付けられたクロマトグラフカラムと、を提供することにある。
また、本発明の目的は、移動相の流れ及び高圧に対し耐久性がある管／フリットを提供することにある。
また、本発明の目的は、上記の管／フリットを作成するために無機粉体の製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、管の内壁に形成された無機酸化物粉体からなる焼結固体フリットを有する管／フリットを提供することにある。
また、本発明の目的は、フリットの交換が必要な場合に、カラムを分解せずに接続管を置き換えることによって再利用することができるクロマトグラフカラムを提供することにある。
本発明は、金属管／フリット及びそれらを有するクロマトグラフカラムに関するものであり、本発明は、シリカ、アルミナ、チタニア、ジコニア等の無機酸化物を処理し、その後、乾燥させ、ある程度の湿気を有する生成物にすることによって得られるクロマトグラフのフリットのための無機酸化物粉体の製造方法を提供する。
また、本発明は、金属管の先端内に適当な高さまで上記の粉体を充填し、その後、管の内壁に固体焼結フリットを形成することより作成される金属管／フリットの製造方法を提供する。
本発明は、また、上記の処理により作成される管の端部に焼結粉体フリットを有する管／フリットを結合部に接続させることにより作られ、この種の二つの結合部の間に、固定相が詰められた円筒状カラム本体を配置する、クロマトグラフカラムの製造方法を提供する。
本発明に関する、より詳細な説明を以下に述べる。
本発明のフリット用無機酸化物粉体は、強塩基で無機酸化物を処理することにより作成され、その後、室温または５０〜８０℃で乾燥させることによって、ある程度のlatent湿気のある生成物を生じる。
上記の粉体はいかなる無機粉体でもよく、例えば、シリカ、ジルコニア、アルミナ及びチタニアが含まれ、シリカが好ましい。粒径は１〜２０μｍであり、孔径は５００Åより小さく、対象とされる化合物などの要因によって決まる。
本発明においては、強塩基の型は限定されておらず、例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨのような、アルカリ及びアルカリ土類金属のすべての水酸化物及び炭酸塩を含み、ＮａＯＨが好ましい。この塩基は、無機酸化物粉体１グラムにつき１〜２０ｍＬの比で、３〜１０重量％の濃度で使用される。
上記の方法によって得られた無機酸化物粉体は、微結晶性塩基粉体と若干の湿気を含むように乾燥させることができ、大きく減少した気孔率を有する球状構造を維持する傾向を示す。図４のＳＥＭ写真によって、上記の無機酸化物のミクロ構造を詳細に検討し、無機酸化物粉体(シリカ)が一般に球面形を維持し、そのうちのいくつかは部分的に相互に融合していることを発見した。また、微結晶性塩基粒子は、無機酸化物粉体と混合することが観察される。
ある程度のlatent湿気のある上記の無機酸化物粉体を用いてフリットを作製するために、まず、金属管が、管の底部に適当な高さまで無機酸化粉体を入れられ、電気炉に配置されて４００〜１０００℃で３〜６時間加熱される。
焼結処理によって無機酸化物粉体が管内壁に付着するので、耐久性のある焼結フリットが作成され、このフリットは、焼結により形成される強固な結合により、移動相の流れ及び高い作用圧力に耐えることができる。
充填される無機酸化物粉体の内容は、金属管の寸法によって変化し、高さは、内容物によって調節できる。例えば、本発明の実験においては、長さ４〜１０ｃｍ、内径０.１〜０.８ｍｍ、外径１.６ｍｍの管に対して、充填された無機酸化物粉体の高さは０.３〜５ｍｍであった。
化学的安定性を増し、表面ヒドロキシル基を不活性化するために、上記の管／フリットに対して、さらなる化学的処理を行うことができる。詳細には、Ｃ６〜Ｃ８炭化水素溶媒に管／フリット及びシリル化試薬を入れ、１〜５時間、好ましくは３時間以上、６０〜１００℃で加熱することによって、安定した管／フリットを得ることができる。
本発明の焼結フリットは、上記の方法とは別に、他の方法によって作成もできる。それらは、管の先端に多孔質無機粉体を入れ、その先端を水または塩基性水溶液で十分湿らせ、５００〜８００℃で焼結することにより生成される。焼結されたフリットはこのような方法によって得られるが、この場合、フリットは、液体を吸収したとき、粉体のパッキング構造の解除によりやや弱くなる傾向がある。それでもなお、このような方法によれば、クロマトグラフカラムに適用するのに十分強い焼結管／フリットを生み出すことができる。
金属管の内側面上の焼結シリカ粉体を示す図５ａによれば、金属管の表面は平坦ではなく、このような激しい起伏により、焼結フリットは金属管の内壁に付着することが可能である。同じような傾向は、図５ｂでも見られる。実際に、管／フリットは、高圧流れ内で破壊されないことが判明した。
本発明者は、上記のプロセスにより作製された管／フリットを使用している新規な構造のクロマトグラフカラムを提案する。
図１に示すように、本発明のクロマトグラフカラムにおいて、管端部に形成される焼結フリット(１０ａ)を有する管部材／フリット(１０１ａ)は、接続手段(１０２ａ,１０３ａ,１０３ａ',１０４ａ,１０４ａ')を介して固定相(２０)が詰められた本体カラム管(１００)の入口に接続され、本体カラム管(１００)の出口もまた、管端部に形成された焼結フリット(１０ｂ)を有する管／フリット(１０１ｂ)に、接続手段(１０２ｂ,１０３ｂ,１０３ｂ',１０４ｂ,１０４ｂ')を介して接続され、この焼結フリット(１０ａ,１０ｂ)は、本体カラム管を内側にして互いに向き合っている。
焼結フリット(１０ａ,１０ｂ)を有する管／フリット(１０１ａ,１０１ｂ)が、固定相(２０)が詰められた円筒状本体カラム管(１００)に接続され、構成要素が、カラム入口及び出口にあるフリット(１０ａ,１０ｂ)が互いに向かい合うように共通の接続手段によって組み合わされている、上記のクロマトグラフカラムを作成するため、カラム出口結合部(１０２ｂ)に管／フリット(１０１ｂ)を取り付けることにより、焼結フリット(１０ｂ)を有する金属管／フリット(１０１ｂ)が本体カラム管(１００)に接続され、カラム出口部分が、ナット(１０３ｂ,１０３ｂ')及びフェルール(１０４ｂ,１０４ｂ')を接続手段として、それを結合部(１０２ｂ)に取り付けることにより形成され、
本体カラム管(１００)の他方側が、カラムパッキング装置に接続され、本体カラム管(１００)に固定相(２０)が詰められ、
焼結フリット(１０ａ)を有する金属管／フリット(１０１ａ)は、カラム入口結合部(１０２ａ)に取り付けることにより、本体カラム管部材(１００)の他方側に接続され、カラム入口部分は、ナット(１０３ａ,１０３ａ')及びフェルール(１０４ａ,１０４ａ')を接続手段として用いることにより形成される。
拡大図(図２ａ)に示すようにカラム出口部分が詳細に考察されるように、焼結フリット(１０ｂ)を有する管／フリット(１０１ｂ)が、ナット(１０３ｂ')及びフェルール(１０４ｂ)を接続手段としてカラム出口結合部(１０２ｂ)に取り付けられる。後で固定相(２０)が詰められる本体カラム管(１００)は、ナット(１０３ｂ)及びフェルール(１０４ｂ')で結合部(１０２ｂ)の他方側に接続され、本体カラム管(１００)の他方側は、カラムパッキング装置に接続される。
上記の接続管(１０１ａ,１０１ｂ)の外径は１.６ｍｍ以下で、それらの内径は、カラムサイズに応じて、０.１、０.１２５、０.２５、０.５ｍｍ等に可変に調節される。ステンレススチール、ニッケル、銅または合金のようないかなる金属材料も管に使用できるが、腐食のより少ないステンレススチールが好ましい。管の長さは、最小にすべきだが、フィッティングに十分な長さでなければならず、４〜１０ｃｍになるよう調整される。
上記の管フリット(１０１ｂ)は、独立した結合部で検出装置に連結できるが、これについては後述する。本発明のクロマトグラフカラムにおいては、従来のカラムにおける、分離したフリットは取り付けられず、従来のカラムにおいては空である結合部の中心孔さえも固定相(２０)で満たされて、空隙容量を排除するという利点をもたらす。
クロマトグラフカラムの入口部分は、図２ｂに拡大図として示されており、出口部分と同様の方法で処理される。詳細には、化学的及び熱的に焼結されたフリット(１０ａ)を有する金属管／フリット(１０１ａ)が、ナット(１０３ａ)及びフェルール(１０４ａ)でカラム入口結合部(１０２ａ)に取り付けられ、結合部の他方側が、ナット(１０３ａ')及びフェルール(１０４ａ')で本体カラム管(１００)に接続される。上記の管／フリット(１０１ａ)の他方側は、ガードカラムまたはサンプルインジェクタに接続される。
上記のナット、フェルール及び結合部は、この分野においては周知であり、市販の製品のなかから、カラムサイズによって容易に購入できる。
例えば、一般の本体カラム管(1００)の外径(Ｏ.Ｄ.)は、その内径(Ｉ.Ｄ.)によって、１.６、３.２、６.４、９.６ｍｍ等に分類される。本体カラム管の外径が管／フリットの外径と等しい場合には、対称な結合部が用いられ、一方、本体カラム管の外径が管／フリットの外径よりも大きい場合には、非対称な結合部が用いられる。
ステンレススチール、ニッケル、銅などのすべての入手可能な金属／合金と、ポリマー材料とは、本体カラム管部材(１００)用に用いることができる。本発明は特定の材料に限定されないが、腐食のより少ないステンレススチールが好ましい。上記のステンレススチール管のうち、ミラー状グラウンド内壁を有するステンレススチール管、または、ガラスライニング内壁を有するステンレススチール管が使用できる。内径が１ｍｍ以上である場合には、ミラー状内壁を有するステンレススチールが推奨され、内径が１ｍｍ未満である場合には、ガラスライニングステンレススチール管が推奨される。
カラムへの固定相(２０)の充填は一般的な方法で行われ、したがって、例えば、固定相(２０)は、基型によって、メタノール、アセトンまたはヘキサンのような適当な極性または非極性溶媒に分散され、スラリーは、超音波処理され、カラムサイズにより１〜４０ｍＬのスラリーリザーバに注入されて、その後、カラムパッキングが直ちに実行される。カラムは、１００００〜１４０００ｐｓｉの高圧下で２〜１０分間で急速にパッキングされる。
固定相(２０)を詰めた後、本体カラム管(１００)は、スラリーパッキング装置から切り離され、図１に示すように、化学的かつ熱的に焼結された焼結粉体フリット(１０ａ)を有する管／フリット(１０１ａ)に取り付けられたカラム入口結合部に接続されて、カラムが完成する。
焼結粉体フリットを有する管／フリットが取り付けられた本発明のクロマトグラフカラムにおいて、フリットは、従来のカラムのようにカラム内部に取り付けられるのではなく、接続管内に取り付けられる。したがって、フリットを交換する必要がある場合には、カラムを分解せずに、接続管だけを交換すればよいという利点がある。
詳細には、管／フリットを交換するときのコストを節約するため、図２ａ及び２ｂに示すように管／フリット(１０１ａ,１０１ｂ)を取り付ける場合には、分離されたステンレススチールナット及びフェレールの代わりに、一体のポリマーナット／フェレールを使用することができ、したがって、管／フリットだけが交換されて、ポリマーのナット／フェルールが再利用される。
特に、本発明の新規なカラム構造は、内径０.５ｍｍ以下のマイクロカラムに有用である。
パッキングされたシリカキャピラリカラムは、現時点では、内径０.５ｍｍ以下のマイクロカラムのみ市販されているが、このカラムにおいては、フリットがカラム端部に永久的に結合するよう作られており、複雑な加工のために製造コストが高く、さらに、このカラムは、フリット交換ができないため、フリットが目詰まりした時点でその寿命が終了するという重大な欠点がある。他方、本発明のカラム構造においては、フリット交換が容易であり、カラムは、必要に応じて分解することにより修理することができる。
本発明のクロマトグラフカラムは、別の結合部を介して、質量分析計のような検出デバイスに接続できる。図３で示す望ましい実施形態において、市販の非対称結合部(２０２)が本発明のカラムに接続され、結合部の小さい側のフェルール(２０４)が市販のベスペル／グラファイトフェルール(２０４)で置き換えられる。そして、検出器インターフェースに直接接続できるキャピラリ(２００)、例えば、ポリマー補強シリカキャピラリ(２００)が、適当な長さにカットされて連結される。非対称結合部のカラム出口側の接続手段は、上記のフェルール(１０４ｃ)及びナット(１０３ｃ)である。
検出デバイスへの接続は質量分析計に限定されず、他の検出デバイスが、接続手段(結合部２０２、ナット２０３、フェルール２０４)を介して連結できる。
本発明の詳細な実施形態を以下に説明する。しかし、それらは、本発明のいくつかの例に過ぎず、本発明は、ここで記載される例示的な実施形態に限定されない。
＜実施例１＞
化学的かつ熱的に焼結されたシリカフリットＩ：内径０.１ｍｍを有する金属管／フリットの製造
球面多孔質５μ,６０Åのシリカ粒子１グラムを、１０重量％のＮａＯＨ溶液５ｍＬに分散し、この分散液を、薄い層として、硬質で平坦なポリマー表面上に広げて、落下してくる埃から分散層を保護するためのガラスボード下において室温で乾燥させる。乾燥した層は、ポリマースコップで削られ、角のない乳棒で丁寧に擦られて微細な粉末になる。走査型電子顕微鏡(図４)で観察された上記粉体のミクロ構造において、粉体の大部分はその球形を維持し、それらは部分的に溶解し、ＮａＯＨの緻密な針状結晶と混ぜ合わされる。その後、粉体は、２ｍｍほどの厚さで、平坦なポリマー表面上に均一に広げられる。５ｃｍ×０.１ｍｍ×１.６ｍｍ(長さ×内径×外径)の金属管は、微細な粉末上に垂直に配置され、２ｍｍの厚みで粒子が入るように、穏やかに表面に、様々なスポットで５０回、当てられる。管の外壁は、柔らかいティシュで清浄化される。
先端にシリカ粉体が充填された管が、電気炉内に置かれ、窒素雰囲気下において、５時間、５００℃で加熱されて、焼結シリカフリットを有する管／フリットが得られる。
上記管／フリットの断面の図５ａによれば、シリカ粒子が、互いに融合してステンレススチール管の内壁に付着し、耐久性のある焼結シリカフリットがもたらされる。
本実施形態で作製されるフリットは、８０００ｐｓｉの高圧が急速に管／フリットに加えられた場合に耐えるのに十分な強度がある。とても優れた透過性を有するので、管／フリットがＬＣポンプに接続され、２ｍＬ／分の流れが加えられた場合には、ほんの３０〜５０ｐｓｉの圧力が生じる。
＜実施例２＞
化学的かつ熱的に焼結されたシリカフリットＩＩ：内径０.８ｍｍを有する金属管／フリットの製造
球面多孔質１０μ、１００Åのシリカ粒子１グラムを、５重量％のＫＯＨ溶液２０ｍＬに分散し、この分散液を、薄い層として、硬質で平坦なポリマー表面上に広げて、落下してくる埃から分散層を保護するためのガラスボード下で、５０〜６０℃で乾燥させる。乾燥した層は、ポリマースコップによって削られ、角のない乳棒で丁寧に擦られて微細な粉末になる。
上記のシリカ粉体は、その後、２ｍｍほどの厚さで平坦なポリマー表面上に均一に広げられる。５ｃｍ×０.８ｍｍ×１.６ｍｍ(長さ×内径×外径)の金属管は、微細な粉末上に垂直に配置され、２〜３ｍｍの厚みで粒子が入るように、穏やかに表面に、様々なスポットにおいて１００回、当てられる。管の外壁は、柔らかいティシュで清浄化される。
先端にシリカ粉体が充填された管が、電気炉内に置かれ、窒素雰囲気下で、４時間、６００℃で加熱され、焼結シリカフリットが得られる。
得られたシリカフリットは非常に堅固であり、上記管／フリットの拡大断面の図５ｂによれば、溶解したシリカ粒子は、図５ａで観察されるように、ステンレススチール管の内壁によく付着している。
本実施形態で作製されたフリットは、８０００ｐｓｉの高圧が急速に管／フリットに加えられたときに耐えられる十分な強度がある。とても優れた透過性を有するので、管／フリットがＬＣポンプに接続され、１０ｍＬ／分の流れが加えられた場合には、ほんの１０ｐｓｉの圧力が生じる。
＜実施例３＞
化学的かつ熱的に焼結されたシリカフリットＩＩＩ：内径０.２５ｍｍを有する金属管／フリットの製造
球面多孔質５μ、１００Åのシリカ粒子１グラムを、１０重量％のＮａＯＨ溶液１０ｍＬに分散し、この分散液を、薄い層としての硬質で平坦なポリマー表面上に広げて、落下してくる埃から分散層を保護するためのガラスボード下において室温で乾燥させる。乾燥した層は、ポリマースコップで削られ、角のない乳棒で丁寧に擦られて微細な粉末になる。
その後、上記シリカ粉体は、２ｍｍほどの厚さで平坦なポリマー表面上に均一に広げられる。５ｃｍ×０.２５ｍｍ×１.６ｍｍ(長さ×内径×外径)の金属管は、微細な粉末上に垂直に配置され、２〜３ｍｍの厚みで粒子が入るように、穏やかに表面に、様々なスポットにおいて１００回、当てられる。管の外壁は、柔らかいティシュで清浄化される。
先端にシリカ粉体が充填された管は、電気炉内に置かれ、窒素雰囲気下で、５時間、５００℃で加熱され、焼結シリカフリットが得られる。
本実施形態で作製されたフリットは、８０００ｐｓｉの高圧が急速に管／フリットに加えられたときに耐えられる十分な強度がある。とても優れた透過性を有するので、管／フリットがＬＣポンプに接続され、５ｍＬ／分の流れが加えられた場合には、ほんの１０〜２０ｐｓｉの圧力が生じる。
＜実施例４＞
焼結アルミナフリットを有する金属管／フリットの製造
球面多孔質５μ、比表面積７０ｍ２／ｇのアルミナ粒子１グラムを、１０重量％のＮａＯＨ溶液５ｍＬに分散し、この分散液を、薄い層として、硬質で平坦なポリマー表面上に広げて、落下してくる埃から分散層を保護するためのガラスボード下において室温で乾燥させる。乾燥した層は、ポリマースコップで削られて、角のない乳棒で丁寧に擦られて微細な粉末になる。
その後、上記アルミナ粉体は、２ｍｍほどの厚さで、平坦なポリマー表面上に均一に広げられる。５ｃｍ×０.２５ｍｍ×１.６ｍｍ(長さ×内径×外径)のステンレススチール管は、微細な粉末上に垂直に配置され、２〜３ｍｍの厚みでアルミナ粉末が入るように、穏やかに表面に、様々なスポットにおいて１００回、当てられる。管の外壁は、柔らかいティシュで清浄化される。
先端にアルミナ粉体が充填された管が、電気炉内に置かれ、窒素雰囲気下で、５時間、８００℃で加熱され、焼結アルミナフリットが得られる。
＜実施例５＞
焼結ジルコニアフリットを有する金属管／フリットの製造
球面多孔質３μ、３００Åのジルコニア粒子１グラムを、５重量％のＮaＯＨ溶液１０ｍＬに分散させ、この分散液を、薄い層として、硬質で平坦なポリマー表面上に広げて、落下してくる埃から分散層を保護するためのガラスボード下において室温で乾燥させる。乾燥した層は、ポリマースコップで削られ、角のない乳棒で丁寧に擦られて微細な粉末になる。
その後、上記ジルコニア粉末は、２ｍｍほどの厚さで、平坦なポリマー表面上に均一に広げられる。５ｃｍ×０.２５ｍｍ×１.６ｍｍ(長さ×内径×外径)のステンレススチール管は、微細な粉末上に垂直に配置され、２〜３ｍｍの厚みでアルミナ粉末が入るように、穏やかに表面に、様々なスポットにおいて１００回、当てられる。管の外壁は、柔らかいティシュで清浄化される。
先端にジルコニア粉末が充填された管部材は、電気炉内に置かれ、窒素雰囲気下において、５時間、９００℃で加熱されて、焼結ジルコニアフリットが得られる。
＜実施例６＞
管／フリットのシリル化
フリット／管の化学的安定性を増加させ、表面シラノール基を不活性化するために、管／フリットが以下のように処理される。
５０の管部材／フリットを、１００ｍＬのヘキサンと２ｍＬのトリメチルクロロシランとともに２５０ｍＬの平底フラスコに入れ、この混合物を２４時間、refrux temperatureで反応させた。シリル化された管部材／フリットが取り出され、アセトン、水及びメタノールで連続洗浄される。
上記の処理によって調製された不活性化焼結シリカ管／フリット、未処理の焼結シリカ管／フリット、及び、普通のステンレススチール管(すべて内径０.１ｍｍ及び長さ５ｃｍ)のピリジン吸着保持特性を測定して比較する。
各管は、０．５μＬ ＶａｌｃｏインジェクタとＩｓｃｏマイクロＵＶ検出器との間に接続され、０.００１Ｍピリジン溶液(溶媒：メタノール)が、溶媒としての１００％メタノールとともに、０.００５ｍＬ／分の流速で注入され、クロマトグラム、滞留時間、ピーク高さ及び帯域幅が測定及び比較される。その結果を表１に示す。
表１ 普通の管、管／フリット及びシリル化管／フリットのピリジン保持特性の比較
Figure 2005520775
 表１により、シリル化された管／フリットは、他の種類の管と比べると、より狭い帯域幅、高いピーク高さ及び短い滞留時間を示す。表１の結果に基づいて、焼結シリカのシラノール基だけでなくステンレススチール表面のヒドロキシル基も、シリル化によって、かなり不活性化されることがわかる。
＜実施例７＞
焼結無機酸化物粉体フリットのステンレススチール管／フリットが取り付けられた液体クロマトグラフィマイクロカラムの製造
上記の管／フリットをマイクロカラムに適用するために、以下の手順が実行される。
図２ａに示すように、焼結粉体フリット(１０ｂ)を有するステンレススチール管／フリット(１０１ｂ、長さ５ｃｍ、内径０.１ｍｍ、外径１.６ｍｍ)が、ナット(１０３ｂ')及びフェルール(１０４ｂ)を有するカラム出口結合部に接続される。
固定相粉体が充填される本体カラム管(１００、ガラスライニング、長さ３０ｃｍ、内径０.５ｍｍ、外径１.６ｍｍ)は、結合部の他方側に接続され、本体カラム管の開放端部は、カラムパッキング装置に接続される。
２００ｍｇのＡｌｌｔｉｍａ Ｃ１８固定相(５μ)を、６ｍＬのメタノールに分散させて超音波処理し、即座にコラムパッキングするために４ｍＬスラリーリザーバに注ぎ込む。パッキングは、１４０００ｐｓｉの高圧下で２分間実行され、その後、８０００ｐｓｉの圧力下で３０分間状態調節される。
パッキング完了後、本体カラム管(１００)は、取り外され、図２ｂに示すように、ステンレススチール管／フリット(１０１ａ)を有するカラム入口結合部(１０２ａ)に接続されて、図１のようなカラムが完成する。
上記マイクロカラムの分離性能は、試験混合で調べられる。９０／１０(ｖｏｌ％)メタノール／水混合溶媒を溶離剤として使用し、５μの固定相が詰められたＡｌｌｔｉｍａ Ｃ１８カラム(内径×長さ：０.５ｍｍ×３０ｃｍ)を使用する。溶離剤流速が１０μＬ／分であり、得られたクロマトグラムを図６ａに示す。
図６ａによれば、試験試料の１，４-メトキシフェノール、アセトフェノン、安息香酸エチル、エチルベンゼン、アセナフチレン、アセナフテン、フェナントレン及びアントラセンが順々に分離され、良好なカラム効率が観察される。
＜実施例８＞
液体クロマトグラフィ‐マイクロカラムを有する質量分析計システム
実施例７で製造されたマイクロカラムに質量分析計を連結する。市販の非対称１.６ｍｍ／０.８ｍｍ結合部(２０２)を、マイクロカラムに接続し、０.８ｍｍ側のフェルールを、市販のべスペル／グラファイトフェルール(内径０.４ｍｍ)で置き換える。さらにポリマーコーティング補強シリカキャピラリ(外径×内径:０.４ｍｍ×０.０５〜０.１ｍｍ)を適当な長さにカットし、そこに接続する。
＜実施例９＞
焼結無機酸化物粉体フリットのステンレススチール管／フリットが取り付けられた通常の液体クロマトグラフィマイクロカラムの製造
上記の管／フリットを通常のマイクロカラムに適用するために、以下の手順が実行される。
図２ａに示すように、焼結粉体フリット(１０ｂ)を有するステンレススチール管／フリット(１０１ｂ、長さ５ｃｍ、内径０.２５ｍｍ、外径１.６ｍｍ)が、ナット(１０３ｂ')及びフェルール(１０４ｂ)を有するカラム出口結合部(１０２ｂ)に接続される。
固定相粉体が詰め込まれる本体カラム管は、結合部の他方側に接続され、本体カラム管の他端部は、カラムパッキング装置に接続される。ミラー状表面の研削された内壁を有するステンレススチール管(長さ２５ｃｍ、内径４.６ｍｍ、外径６.４ｍｍ)を本体カラム管として使用する。
２.５gのクロマシルＣ８固定相(８μ)を、２５ｍＬのメタノールに分散させて超音波処理し、即座にコラムパッキングするために２０ｍＬスラリーリザーバに注ぎ込む。パッキングは、１００００ｐｓｉの高圧下で２分間実行され、その後、８０００ｐｓｉの圧力下で３０分間状態調節される。
パッキング完了後、本体カラム管(１００)は、取り外され、図２ｂに示すように、ステンレススチール管／フリット(１０１ａ)を有するカラム入口結合部(１０２ａ)に接続されて、カラムが完成する。
上記マイクロカラムの分離性能は、試験混合で調べられる。７０／３０(ｖｏｌ％)メタノール／水混合溶媒を溶離剤として用いて、８μの固定相が詰められたクロマシルＣ８カラムを使用する。溶離剤流速は０.５ｍＬ／分であり、得られたクロマトグラムは図６ｂに示される。
図６ｂによれば、試験試料のフェノール、アセトフェノン、ベンゼン、トルエン及びエチルベンゼンが順々に分離され、申し分のない分解が得られる。
このように、本発明においては、化学的及び熱的処理により無機酸化物粉体フリット及び管／フリットが製造される。この種の管／フリットによって作られるクロマトグラフカラムには、フリットの交換が必要なとき、カラムを分解せずに接続管のみを交換すればよいという利点がある。これは、フリットがカラム内部に設けられていた従来のカラムとは異なり、フリットが接続管内に設置されているからである。
特に、本発明の管／フリットは、内径０.５ｍｍ以下のマイクロカラムに有効である。というのは、従来のマイクロカラムには、フリットがカラム端部に永久的に結合され、したがって製造が複雑かつコスト高であり、さらに、フリットが目詰まりすると、フリット交換が不可能なのでカラム寿命が尽きるという欠点があるからである。一方、本発明のカラムは、この問題を解決し、容易にフリットを交換することが可能であり、また修理のためのカラム分解も可能であって、新しいマイクロカラムとして代用できる見込みが十分にある。
図１は、本発明により製造される金属管／フリットを有する液体クロマトグラフカラムの断面図である。
図２ａは、図１に示したカラム出口の拡大図である。
図２ｂは、図１に示したカラム入口の拡大図である。
図３は、質量分析計にクロマトグラフカラムを接続する方法を示す説明図である。
図４は、強塩基性溶媒により処理し、乾燥させたシリカ粉体のミクロ構造ＳＥＭ(走査型電子顕微鏡)写真である。
図５ａ及び図５ｂは、金属管内の焼結フリットを示すミクロ構造写真である。
図６ａ及び図６ｂは、本発明により製造されるカラムで分離されたピークのクロマトグラムである。
符号の説明
(図面の主要部分に関する符号の説明)
１０ａ,１０ｂ:焼結フリット ２０:固定相
１００:カラム本体管
１０１ａ,１０１ｂ:カラム入口及び出口の金属管
１０２ａ:カラム入口結合部
１０２ｂ:カラム出口結合部
１０３ａ,１０３ａ',１０３ｂ,１０３ｂ',１０３ｃ,２０３：ナット
１０４ａ,１０４ａ',１０４ｂ,１０４ｂ',１０４ｃ,２０４:フェルール
２００：キャピラリ ２０２：非対称結合部

Claims (15)

  1. カラムフリット用無機酸化物粉体の製造方法であって、
    無機酸化物を強塩基で処理して乾燥させ、ある程度の湿気を含む生成物を生じさせる、無機酸化物粉体の製造方法。
  2. 請求項１記載の、無機酸化物粉体の製造方法であって、
    具体的に、前記無機酸化物は、シリカ、アルミナ、チタニア及びジルコニアから成るグループから選択される、無機酸化物粉体の製造方法。
  3. 請求項１または２記載の、無機酸化物粉体の製造方法であって、
    具体的に、前記無機酸化物は、粒径１〜２０μｍ、孔径５００Å以下の物質から選択される、無機酸化物粉体の製造方法。
  4. 請求項１記載の、無機酸化物粉体の製造方法であって、
    具体的に、乾燥は、自然状態または５０〜８０℃の温暖加熱によって行われる、無機酸化物粉体の製造方法。
  5. 請求項１記載の、無機酸化物粉体の製造方法であって、
    具体的に、前記強塩基は、通常の、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の水酸化物及び炭酸塩から成るグループから選択される、無機酸化物粉体の製造方法。
  6. 請求項１または５記載の、無機酸化物粉体の製造方法であって、
    具体的に、前記強塩基は、ＫＯＨまたはＮａＯＨのいずれかである、無機酸化物粉体の製造方法。
  7. 請求項１記載の、無機酸化物粉体の製造方法であって、
    具体的に、強塩基の濃度は３〜１０重量％であり、無機酸化物粉体１グラムにつき１〜２０ｍＬの塩基溶媒の割合が用いられる、無機酸化物粉体の製造方法。
  8. 耐久性のある焼結フリットを有する金属管／フリットの製造方法であって、
    請求項１記載のプロセスにより得られた無機酸化物粉体が、クロマトグラフに使用する金属管の先端内に適正な高さまで充填され、かつ、焼結される、金属管／フリットの製造方法。
  9. 請求項８記載の、金属管／フリットの製造方法であって、
    具体的に、前記焼結が、４００〜１０００℃で、３〜６時間加熱することにより行われる、金属管／フリットの製造方法。
  10. 請求項８記載の、金属管／フリットの製造方法であって、
    さらに具体的には、シリル化試薬を伴う上記管／フリットと、ヘキサン、ヘプタン、オクタン及びそれらの混合物のグループから選択された溶媒とを、６０〜１００℃で、１〜５時間よりも長く反応させる、金属管／フリットの製造方法。
  11. 管部材／フリットの製造方法であって、
    具体的に、多孔質無機酸化物粉体が金属管に充填され、水または塩基性溶媒に浸され、５００〜８００℃で焼結される、管部材／フリットの製造方法。
  12. クロマトグラフカラムであって、
    具体的には、端部に焼結フリット(１０ｂ)を有する管／フリット(１０１ｂ)は、接続手段(１０２ｂ,１０３ｂ,１０３ｂ',１０４ｂ,１０４ｂ')を介して本体カラム管(１００)の出口に接続され、
    前記本体カラム管(１００)の入口は、端部に焼結フリットを有する別の管／フリット(１０１ａ)に、同様に接続手段(１０２ａ,１０３ａ,１０３ａ',１０４ａ,１０４ａ')を介して接続され、
    前記２つの焼結フリット(１０ａ,１０ｂ)は、それらの間に本体カラム管(１００)を入れて互いに向き合っているクロマトグラフカラム。
  13. 請求項１２記載のクロマトグラフカラムであって、
    具体的に前記本体カラム管は、ステンレススチール、ニッケル及び銅で構成されるグループから選択された材料で形成されるクロマトグラフカラム。
  14. 請求項１２記載のクロマトグラフカラムであって、
    具体的に、分離された検出装置に接続手段を提供するために、前記本体カラム管の出口に結合された管／フリットの開放側に、分離された接続要素が結合されたクロマトグラフカラム。
  15. 請求項１２記載のクロマトグラフカラムであって、
    焼結フリット(１０ａ,１０ｂ)を有する前記管／フリット(１０１ａ,１０１ｂ)が、固定相(２０)が詰められた円筒状本体カラム管(１００)にそれぞれ接続され、各部品は、カラム入口及び出口のフリット(１０ａ,１０ｂ)が互いに向かい合うように共通の接続手段によって組み合わされており、
    カラム出口結合部(１０２ｂ)に管／フリット(１０１ｂ)を取り付けることにより、請求項８または１１記載の焼結フリット(１０ｂ)を有する金属管／フリット(１０１ｂ)を前記本体カラム管(１００)に接続し、カラム出口部は、ナット(１０３ｂ,１０３ｂ')及びフェルール(１０４ｂ,１０４ｂ')を接続手段として、結合部(１０２ｂ)に取り付けられることにより形成され、
    本体カラム管(１００)の開放側は、カラムパッキング装置に接続され、本体カラム管(１００)は、固定相(２０)が詰められ、
    焼結フリット(１０ａ)を有する金属管／フリット(１０１ａ)は、カラム入口結合部(１０２ａ)に取り付けられることによって、本体カラム管(１００)の開放側に接続され、カラム入口部は、ナット(１０３ａ,１０３ａ')及びフェルール(１０４ａ,１０４ａ')を接続手段として用いることにより形成されるクロマトグラフカラム。
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